IP網(wǎng)絡(luò)的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)

一. 高速公路視頻監(jiān)控的特點和現(xiàn)狀

?????? 高速公路視頻監(jiān)控主要分兩種，一種設(shè)置于各互通區(qū)，對互通區(qū)交通流進行監(jiān)視；一種設(shè)置于各收費站，對收費業(yè)務(wù)進行監(jiān)視。根據(jù)各路的管理體制，互通區(qū)視頻一般直接上傳至各路的管理分中心，收費站視頻先上傳至各收費站監(jiān)控機房，再與管理分中心之間設(shè)置一定路數(shù)的視頻傳輸通道，在管理分中心的控制下切換上傳。管理分中心還需在管理中心的控制下切換一定路數(shù)到管理中心。

?????? 目前，各高速公路之間相對比較獨立，視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控尚未形成，視頻圖像多采用模擬或數(shù)字非壓縮的方式進行傳輸，通過視頻切換矩陣進行視頻的切換顯示和錄像。管理分中心采用視頻切換矩陣與各收費站的視頻切換矩陣級聯(lián)方式進行視頻聯(lián)網(wǎng)控制。

?????? 這種方式在高速公路建設(shè)初期，路網(wǎng)尚未形成時，對高速公路運營管理起到了積極的作用。但隨著高速公路的不斷發(fā)展，區(qū)域路網(wǎng)管理中心建設(shè)的不斷加快，路網(wǎng)多級視頻監(jiān)控功能需求的不斷提升，傳統(tǒng)模式逐漸暴露了其缺點，如占用光纖資源較多、帶寬得不到有效地利用、系統(tǒng)擴建難度較大、不同品牌視頻切換矩陣級聯(lián)兼容性不好等。

?????? 采用數(shù)字壓縮視頻傳輸方式，結(jié)合軟件管理下的視頻切換控制，上述問題可以得到很好的解決，并可以在系統(tǒng)中增加其他有用的功能模塊。

?????? 本文將要探討的“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，采用數(shù)字壓縮視頻技術(shù)，基于目前最通用的IP網(wǎng)絡(luò)，在保證圖像質(zhì)量和時延的情況下，由網(wǎng)絡(luò)中任意一處管理終端控制，可將任意一路圖像傳送至任意一個顯示或錄像設(shè)備上。

二. 高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)

?????? 軟切換，顧名思義，就是在軟件控制下的視頻切換，與傳統(tǒng)的視頻切換矩陣硬件控制相比，最大的優(yōu)勢就是可將視頻的輸入單元、輸出單元和控制單元分開，并可在其間增加額外的控制功能，使系統(tǒng)突破以往地域的局限，靈活地對視頻監(jiān)控進行組網(wǎng)。

?????? 除此之外，由于整個系統(tǒng)構(gòu)建于IP網(wǎng)絡(luò)之上，系統(tǒng)內(nèi)所有視頻數(shù)據(jù)均采用TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)協(xié)議進行傳輸，使系統(tǒng)可以與因特網(wǎng)在內(nèi)的任何一種支持或兼容TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這就使高速公路傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能得到極大擴展，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)為廣大道路使用者提供種類繁多、功能齊全的信息服務(wù)。

?????? 一個典型的基于IP網(wǎng)絡(luò)的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)如下圖所示：
?????? 系統(tǒng)由三種功能模塊組成：視頻輸入、視頻輸出和視頻切換控制。網(wǎng)絡(luò)中任意一處視頻編碼器對應(yīng)一個視頻輸入，任意一處視頻解碼器對應(yīng)一個視頻輸出，視頻輸入和視頻輸出可設(shè)置在系統(tǒng)的任意位置。
?????? 視頻輸入可以是經(jīng)過視頻編碼的傳統(tǒng)攝像機視頻源，也可以是帶有網(wǎng)絡(luò)端口的IP網(wǎng)絡(luò)攝像機視頻源。

?????? 視頻輸出可以經(jīng)視頻解碼后接至模擬監(jiān)視器、大屏幕顯示系統(tǒng)、硬盤錄像機等，也可以在多媒體計算機終端上直接顯示和錄像。

?????? 視頻切換模塊可以設(shè)置在系統(tǒng)的任意位置，并具有設(shè)置好的任意權(quán)限。通常管理中心具有最高權(quán)限，各管理分中心具有中間級權(quán)限，各收費站具有最低權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)具體功能需求，可增加額外的控制權(quán)限，并根據(jù)特殊需求，系統(tǒng)可使任意一處管理終端擁有臨時或永久的任意一級控制權(quán)限。系統(tǒng)的靈活性不僅表現(xiàn)于此，任意控制終端在得到權(quán)限許可的情況下可將任意一路視頻圖像切換至任意一個顯示或錄像設(shè)備上，并能保證視頻圖像的質(zhì)量和實時性。

?????? “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的另一個重要特點就是具有非常好的可擴展性，以往視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控點非常困難，需要重新敷設(shè)光纜。“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)對于新增加的視頻源只需增加視頻編碼器就可接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)需要切換至任意顯示終端。

三. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

?????? 這種“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)控制方式，離不開IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議的支持。要實現(xiàn)上述功能，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)管理軟件都提出了相當(dāng)高的要求。

?????? 首先，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，IP網(wǎng)絡(luò)的最大缺陷就是可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠，甚至網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，導(dǎo)致視頻圖像丟幀、丟包，視頻的實時性也得不到保證。出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠的原因很多，有可能是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點帶寬不足，也有可能是網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)傳輸。IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計初衷就是使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未知的不同種網(wǎng)絡(luò)可以互聯(lián)，但只保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并為考慮數(shù)據(jù)的實時性。由于近些年來網(wǎng)絡(luò)通道質(zhì)量的不斷改善，IP網(wǎng)絡(luò)實時性能也得到極大的提高，但未知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)需求，仍然是制約互聯(lián)網(wǎng)實時視頻流的重要障礙。

?????? 與互聯(lián)網(wǎng)相比，高速公路的通信系統(tǒng)屬于專網(wǎng)專用，各高速公路擁有自己專用的光纖網(wǎng)絡(luò)，鏈路質(zhì)量決不低于網(wǎng)絡(luò)運營商的網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對清晰，網(wǎng)絡(luò)需求也可做到最大限度的確定。所以，高速公路通信系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的幾率很小，只要掌握正確的視頻源布設(shè)位置，進行詳盡的視頻顯示、錄像的需求分析，由此設(shè)計出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必定能滿足視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的帶寬要求。

?????? 合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)離不開合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)字視頻聯(lián)網(wǎng)需要強大的高性能網(wǎng)絡(luò)交換機的支持，一般在管理中心和分中心處設(shè)置千兆以太網(wǎng)交換機，在各收費站至少也要設(shè)置百兆以太網(wǎng)交換機，推薦使用千兆以太網(wǎng)交換機。通過對網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植继攸c進行分析，以確定各節(jié)點交換機應(yīng)具備的交換容量和背板帶寬，并且各級交換設(shè)備均需支持組播及虛擬子網(wǎng)（VLAN）協(xié)議。

?????? 組播協(xié)議可以使視頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的控制下，傳向指定的幾個顯示或錄像終端，盡可能的少占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，做到“按需傳輸”。VLAN是三層交換機特有的功能，其可將同一網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按需劃分為不同虛擬子網(wǎng)中去，一方面可以起到網(wǎng)管功能，另一方面可以抑止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴的影響。

?????? 擁有了合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備并不能保證網(wǎng)絡(luò)中不出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，如果不對各鏈路數(shù)據(jù)流進行監(jiān)控，也無法避免過多視頻圖像需經(jīng)同一鏈路傳輸?shù)炔缓侠淼臄?shù)據(jù)傳輸現(xiàn)象的出現(xiàn)，這就需要一個強大的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，對系統(tǒng)各主要鏈路進行狀態(tài)監(jiān)控，拒絕不合理的視頻切換，屏蔽不合理的數(shù)據(jù)傳輸。上面講到，高速公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對比較清晰，不像互聯(lián)網(wǎng)那樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜。雖然“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)可以對系統(tǒng)中的任意視頻圖像進行切換，但在進行系統(tǒng)設(shè)計時要分清哪些是必要的視頻數(shù)據(jù)傳輸，哪些是不必要的。并對每個鏈路傳輸帶寬進行上限控制，帶寬固然是越高越好，但造價也會相應(yīng)提高。在保證系統(tǒng)正常使用的情況下，盡量對網(wǎng)絡(luò)帶寬做到合理分配。

?????? 由于這種方案要求有一套比較完備的網(wǎng)管軟件的支持，并且系統(tǒng)很多功能都是通過軟件來實現(xiàn)，所以系統(tǒng)軟件的質(zhì)量好壞直接影響系統(tǒng)性能的好壞。

?????? 另外，還需要注意兩點。一個是視頻編解碼協(xié)議的選擇，一個是視頻編解碼器的設(shè)置位置問題。

?????? 視頻編解碼協(xié)議有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4及H.263/H.264等，MPEG-1壓縮比較小，占用帶寬較大，不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸要求；MPEG-4及H.263/H.264對于高速公路視頻監(jiān)控來講圖像質(zhì)量不夠，MPEG-2視頻編解碼算法壓縮比大、壓縮質(zhì)量好，視頻信號速率約為3～4Mbps，分辨率為720×572。

?????? 由于要保證視頻圖像的質(zhì)量，首先應(yīng)采用視頻編解碼器硬件編解碼，另外視頻圖像經(jīng)過多次編解碼后視頻質(zhì)量會降低，所以在進行系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)避免從視頻解碼器輸出的視頻信號再進入視頻編碼器。

四. “軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

?????? 目前，高速公路通信系統(tǒng)多采用SDH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)可采用MPEG-2視頻編碼技術(shù)及基于IP over SDH的傳輸技術(shù)方案，實現(xiàn)“管理中心——各管理分中心——各收費站”的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控視頻傳輸。

?????? 為廣大道路使用者開放的道路實時視頻瀏覽系統(tǒng)，由于與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，并且網(wǎng)絡(luò)需求未知，需設(shè)置相應(yīng)的瀏覽服務(wù)器，以管理其數(shù)據(jù)傳輸，緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。并且服務(wù)器可以與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連，道路使用者可以使用手機查詢道路的實時視頻圖像。系統(tǒng)還可以通過增加攝像機、麥克風(fēng)及控制軟件，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源方便的實現(xiàn)視頻會議等。很多像這種基于IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在“軟交換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)中可以得到很好的應(yīng)用及擴展。

?????? 綜上所述，基于IP網(wǎng)絡(luò)的高速公路“軟切換”視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)以其傳輸視頻的可靠性、實時性、可控性、安全性及可擴展性，成為下一代高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的首選方案。